0 引言

地磁场是一个微弱矢量场，是地球固有的基本属性。小到传感器，大到航空、航天领域，地磁场信息应用日益广泛，因此对地磁场进行监测和研究具有重要意义。随着科学技术的发展，地磁场观测仪器已经实现数字化，且观测精度越来越高。目前，我国地磁观测台网配备数百套高精度数字化地磁观测仪器，获得大量观测数据。这些观测数据的时间分辨通常为1 min或1 s，可以准实时上传至国家地磁台网的数据中心，并集中进行质量监控和管理。为保障并控制地磁观测数据产品的质量，国家地磁台网中心引入多个数据评价指标。我国地域辽阔，每个地磁台站所在地理位置和观测环境有较大差别，而且地磁场变化兼备区域性和全球性变化特征。因此，针对不同地域和复杂环境，给定统一的地磁观测数据质量评估指标，并对仪器工作状态及台站观测环境进行监控，成为地磁观测台网监控管理面临的一个难题。

在地磁活动指标探索方面，迄今为止已提出并应用的地磁指数不下50种（徐文耀等，2009），其中K_p是广泛使用的地磁活动指数。地磁指数通常用于描述地磁场活动的整体平均变化，然而，即使在K_p指数较小的平静时段，某些局部区域依然存在地磁场扰动现象。为了能更好、更快捷地完成对此类小扰动的描述，Yang等（2010）提出V_r指数，该指数对快速准实时地识别地磁场扰动具有重要意义，但对于不同空间区域却不能做较好的区分。

在地磁观测数据的噪声中，除观测系统自身产生的内部噪声外，还包含环境噪声、人为噪声等。其中，系统内部噪声主要源于设备元器件中自由电子的热运动或载流子的起伏变化，通常是一种功率频谱密度为常数的随机信号或随机过程；环境噪声主要源于地磁台站周围自然的电磁观测环境变化；人为噪声来源于人类活动产生的干扰，如工业辐射、车辆干扰、基础建设等。因此，可以通过监测数据噪声的方式，从整体上，对地磁台网观测仪器运行状态、观测环境变化以及人为干扰等情况进行统一监控和管理。经多年探索和实践，地磁观测台网在数据质量管理中提出参考背景噪声指标，该指标结合中国地磁台网台站的分布特征而设计。文中将对参考背景噪声指标的提出、计算方法及其在地磁观测台网中的应用做详尽介绍。通过计算2009-2018年参考背景噪声指标数据，评估并检验其有效性，进而探讨其在地磁台网数据质量管理中的应用，并对其中可能蕴含的与地磁场活动相关的其他信息进行深入分析。

1 参考背景噪声及计算方法

为了客观合理地反映仪器工作状态，计算仪器噪声时应尽量选择地磁场活动比较平静、人为干扰比较小的时段。通常做法是，依据国际地磁数据中心发布的静、扰日列表，选择地磁活动静日，并根据其中不同时段K_p指数大小确定研究时段。对我国地磁观测台网而言，国际静扰日和K_p指数虽然能反映全球地磁场活动的平均水平，但不能完全代表我国地磁场活动的局部特征。因此，为了保证参考背景噪声指标在地磁场活动最平静时间段的计算结果，需要挑选更符合我国地磁台网地磁活动的最平静日和最平静时段，称为特选时段。

我国地磁台站分布跨度较大，为了兼顾不同经纬度范围的台站，从地磁观测台网中选取运行环境好、数据质量高、在地理分布上具有代表性的5个台站，分别是：东部杭州、西部狮泉河、南部泉州、北部满洲里和中部武汉地磁台，作为特选时段计算参考背景噪声的数据源台站。因地磁场活动在H分量上表现最明显，仅使用5个台站的H分量数据参与计算。为了快速挑选特选时段，将H分量每日观测数据，按3小时间隔分为8个时段，并分别计算每个时段数据一阶差分均方差，从每月5个台站所有时段的均方差数据中，选取满足5个台站均方差数值接近且均最小的5个时段，作为该月特选时段。特选时段所在日期即为挑选的特静日期，所在时段即为特静时段。假设某一时段观测数据序列为X，X = (x₁，x₂，…，x_n)，该时段观测数据的一阶差分表示为Y，Y = (y₁，y₂，…，y_n-1)，则一阶差分均方差计算公式为

$ {{y_i} = {x_i} - {x_i} - 1\quad (i = 1, 2, \cdots, n - 1)} $

(1)

$ {{\sigma _y} = \sqrt {\frac{{\sum\limits_{i = 1}^{n - 1} {{{\left({{y_i} - \bar y} \right)}^2}} }}{{n - 2}}} } $

(2)

特选时段确定后，计算每个台站地磁各分量在特选时段的噪声。地磁场活动在特选时段的变化相对缓慢，观测数据的一阶差分相当于噪声数据的峰峰值，因此，可用数据的一阶差分来表征噪声水平。为更准确地描述，在计算中使用概率方法统计一阶差分数据。具体噪声计算方法如下：计算特选时段某分量数据的一阶差分，统计其绝对值频度，若某个绝对值频度大于80%，则将2倍该值作为该分量特选时段背景噪声；若无频度大于80%的数值，则所有数值频度从大到小排序，累积求和，直至频度值大于80%。

$ S = \frac{{2 \times \sum\limits_{i = 1}^n {\left({{S_i} \times {C_i}} \right)} }}{{\sum\limits_{i = 1}^n {{C_i}} }} $

(3)

式中，S表示某分量一阶差分的绝对值，C表示该绝对值对应出现的频度，n为满足$\sum\limits_{i = 1}^{n - 1} {{C_i}} < 80\% 、\sum\limits_{i = 1}^n {{C_i}} \ge 80\% $所对应的数值。

每套仪器每个分量在每个月均会得到5个噪声值，剔除最大值后求平均，即为该仪器该分量在该月的噪声值。

$ S = \frac{{\sum\limits_{i = 1}^5 {{S_i} - {S_{\max }}} }}{4} $

(4)

为了使地磁观测台网中同类仪器某分量某月参考标准统一，将该类仪器该分量该月噪声值中20%的较大数值予以剔除，计算平均值，记为S₀，作为该仪器该分量该月参考背景噪声。该计算方法兼顾地磁场活动最平静时段，可整体反映地磁观测台网观测数据质量平均水平，为地磁台站观测数据质量提供了参考标准。

2 有效性验证

检验参考背景噪声的合理性，既要验证计算噪声的特选时段合理性，又要验证噪声及参考背景噪声标准选定的合理性。

2.1 特选时段的合理性

为了检验上述计算方法所确定特选时段的合理性，整理2009-2018年特选时段地磁观测数据，并将其所确定的特静日期与国际地磁数据中心发布的静、扰日数据（http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/）进行对比分析，统计特静日期在国际静、扰日以及非静非扰日中的分布及特选时段所确定的特静时段在每日不同3小时时段中出现的频次。特静日期与国际静、扰日以及非静非扰日的对应关系见图 1，可见81%的特静日期出现在国际磁静日，18%出现在非静非扰日，即99%的特静日期不在国际磁扰日出现，说明特静日期多在全球地磁场活动较平静日期内。

图 2给出特静时段在一天中不同时间段出现的频次，可见，72.5%的特静时段出现在北京时子夜及凌晨时段（晚上23时至次日凌晨4时），24%出现在夜间20时至22时，即97%出现在夜间地磁场日变化活动较平静时段。

综上所述，特选时段的计算方法是有效的，利用该方法得到的特静日期和特静时段是合理的，可反映地磁场活动特征。胡秀娟等（2012）利用特选时段数据与国际磁静日子夜时段数据进行参考背景噪声对比，结果表明，特选时段参考背景噪声值更小，说明在我国地磁观测台网观测中，地磁活动在特选时段比子夜时段更平静。由此说明，利用该指标可有效筛选符合我国区域地磁场活动特征的特静日期和特静时段，既能体现地磁场区域化的变化特点，又符合地磁场全球变化特征；既可表征观测仪器自身参数特性，又能反映地磁台网整体观测数据质量。使用参考背景噪声指标对观测数据进行质量监控和管理，是合理的、有效的。

2.2 噪声指标选定的合理性

在对台站数据进行噪声计算时，使用概率方法对观测数据一阶差分进行统计。以某台FHD观测仪器在某一静日总强度F观测数据为例，对噪声计算情况进行分析（图 3）。

由图 3可见，在地磁活动静日，F变化平缓，其一阶差分基本呈现出均值在0值上下随机变化的噪声特征，当一阶差分绝对值累计频率达80%时，其对应的噪声值约为0.31 nT。已知该型号仪器参数如下：分辨率0.1 nT，观测精密度：F为0.3 nT，H为0.6 nT，D为0.1′。可见，F分量噪声值与仪器参数基本一致，较好表征了该仪器参数特性，说明该噪声计算方法是合理的。

参考背景噪声的定义是，去除其中20%较大噪声值后计算平均值，其目的是，有效消除因仪器故障、环境干扰、人为影响等引起的较大噪声值，更客观合理地制定噪声值统一评估的参考标准。以地磁台网FHD观测仪器H分量为例，随机选取地磁台站一个月的噪声数据，并对该月所有台站的噪声值进行统计，验证20%的标准是否具有合理性，结果见图 4。由图 4可见，当选取20%作为计算参考背景噪声的标准时，较大噪声值被有效排除，大部分噪声位于噪声统计分布的合理区间。而去除20%较大噪声值后，均值约0.6 nT，与该仪器参数相符。因此，参考背景噪声指标可较好反映地磁台网绝大部分仪器噪声，并与仪器性能指标相符，说明该参考背景噪声指标的定义是合理的。

3 应用分析

参考背景噪声指标的提出，主要是为了在实际工作中对观测数据进行质量监控。因此，其最大应用是，对地磁观测台网观测数据质量进行监控和管理，以便及时发现台站运行中的问题。此外，对参考背景噪声指标进行深入分析，发现该指标可反映仪器温度及地磁场活动的相关特征变化。

3.1 在数据质量监控中的应用

利用参考背景噪声指标，对地磁台网2013-2018年观测数据质量进行监控管理。以昌黎、承德、涉县等10个地磁台站FHD仪H分量噪声曲线为例，对比分析各台噪声变化与参考背景噪声的关系，结果见图 5。图中红色曲线为参考背景噪声指标，粉色曲线为地磁台网用于数据质量控制的2个评判标准，蓝色曲线为小于参考背景噪声指标的噪声均值。由图 5可见：大部分仪器的数据噪声基本在参考背景噪声曲线上下波动；有几个台站出现噪声突然增大现象，可能因仪器故障等所致，如图 5(a)中丰宁台2017年数据；有2个台站噪声值明显低于噪声均值曲线（蓝色曲线），如图 5(a)中涉县台2017-2018年数据（黑色曲线）及图 5(b)中广平台2013-2014年初数据（绿色曲线），主要因为台站在数据预处理过程中做了过度处理，导致噪声值变小。由此可见，利用参考背景噪声指标可有效监控观测数据质量，并及时发现仪器运行或台站工作中出现的问题。

通常，数字化观测仪器对所观测物理量的最小识别能力应高于噪声水平，即仪器不能识别低于噪声水平的物理量变化。参考背景噪声在地磁台网观测仪器参考指标中较为恒定，可以作为地磁观测台网对地磁场活动的最小识别能力。基于此，计算地磁观测台网参考背景噪声均值，作为对地磁场活动的最小识别能力。表 1给出地磁观测台网2个观测系列各分量对地磁场活动的最小识别能力。

3.2 参考背景噪声中的其他特征变化

图 6给出2009-2018年地磁台网2个观测系列的参考背景噪声值。图 6(a)为FHD系列F、H、D、Z分量参考背景噪声值，其中：D分量数值最大，在0.5-0.9 nT；Z、H分量居中，在0.4-0.8 nT；F最小，在0.25-0.45 nT。图 6(b)为基准系列4个分量的参考背景噪声值，基本分布在0.05-0.15 nT，与FHD磁力仪相似，参考背景噪声值大小与仪器测量精密度相近，可反映仪器参数特性。

由图 6(a)可见，FHD系列中各分量参考背景噪声均呈现显著的季节变化特征，即夏高、冬低、春秋居中，而图 6(b)基准系列的参考背景噪声（除D分量外）却未出现明显的季节性变化特征。由此说明，FHD磁力仪噪声的季节变化应与观测系统有关，可能是观测系统受温度变化影响所致（彭玉柱等，2015），而非天然地磁场变化引起。

总体上，FHD观测系列各分量参考背景噪声值具有以下关系：D ＞H(Z)＞F，取决于仪器工作原理。利用FHD观测仪器对D和H分量进行测量时，均需对线圈进行补偿电流输入，而测量F分量则无需输入补偿电流（夏忠等，2004）。此外，测量D分量还需输入偏置电流，冯志生等（2002）从理论上定量分析了偏置电流对磁偏角观测值的影响，结果表明，磁偏角观测精度受偏置电流漂移的影响，并随其漂移量的增大而增大，还随磁偏角观测值的增大而增大。相比于F分量，D、H分量的测量增加了误差输入源，且D分量比H分量误差源多，因此3个分量噪声值出现差异。

对基准系列的观测仪器而言，D、H、Z分量传感器测量原理及测量精密度相同，但观测数据的参考背景噪声值却有所不同，如图 6(b)所示，总体上，3个分量噪声值大小表现为H＞D＞Z，可能与磁场在不同分量上的变化特征有关。通常认为地磁场活动在H分量上最为活跃，可能是H分量噪声最大的原因。为确认噪声与磁场活动的相关性，将H分量的噪声与代表地磁活动的K_p指数进行对比。为与H分量计算噪声时段相对应，仅使用特选时段所对应的K_p指数，并对每月挑选出的K_p求和。图 7给出每月参考背景噪声值与ΣK_p曲线，从曲线形态看，二者变化相似，具有一定相关性。

据袁亚红等（2012）给出的地磁活动V_r指数在夏、春秋、冬季的变化特征，在文中特选时段所对应时段（晚20:00时至次日凌晨5:00时）内，H分量的V_r指数数值明显高于D分量，较好解释了H分量的参考背景噪声显著大于D分量。而Z分量在特静时段较好地避开了电离层电流的影响，其他外部电流体系对Z分量影响较小，因此Z分量参考背景噪声变化较其他分量平稳。因此，噪声中包含地磁活动的某些特征，且不同分量的噪声值差异与磁场活动有关。

此外，噪声大小受到许多其他因素影响，如台站周边观测环境变化（闫计明等，2013）、交流电磁干扰（董海龙等，2016）、仪器运行状态（居海华等，2012）、仪器工作参数设置（夏忠等，2005）、信号线布线与接地（纪加迎等，2011）、观测室湿度（叶富华等，2000）等。这些影响使观测数据噪声发生变化，且均能通过与参考背景噪声指标对比来发现。可见，参考背景噪声指标在地磁观测台网数据质量管理中具有重要作用。

4 结论与讨论

通过对地磁观测中参考背景噪声指标有效性进行验证，证实使用该指标对地磁观测数据进行质量监控和管理是合理的、有效的。参考背景噪声指标在实际工作中得到较好的应用，可作为评估地磁观测台网对地磁场活动最小分辨能力的指标，反映我国地磁台网的监测能力。

国家地磁台网主要负责地震局管辖的全国地磁台网台站观测数据的汇集、质量监控、产品产出、数据共享服务等工作。参考背景噪声指标的提出，可对全国地磁台网观测数据进行有效的管理和监控，使得产出的数据及数据产品质量得到保障。

参考背景噪声作为参考指标应具有相对稳定性，深入分析发现，该指标仍存在受外部影响，如与温度、磁场活动、仪器测量原理相关的成分。通过对这些信息进行深入研究，对于发现地磁观测系统中存在的问题，提升观测数据质量具有重要意义。

基准系列D分量与其他3个分量不同，也存在不显著的季节变化，是否受温度影响，有待深入探索和研究。